DE19529371A1 - Mikroelektroden-Anordnung - Google Patents
Mikroelektroden-AnordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mikroelektroden-Anordnung zur
ortsaufgelösten, insbesondere extrazellulären Ableitung
Messung elektrischer Zellpotentiale oder zur elektrischen
Stimulation von Netzwerken biologischer Zellen.
Biologische Zellen oder Netzwerke aus biologischen Zellen wie
z. B. Zellkulturen, Gewebeschnitte "in vitro" oder
biologisches Gewebe "in vivo" werden in der
Elektrophysiologie üblicherweise durch Glasmikroelektroden
mit Elektrolytfüllung oder durch Metallmikroelektroden
kontaktiert. Die Elektroden werden mittels eines sog.
Mikromanipulators in eine Zelle eingestochen (intrazelluläres
Verfahren), mit einer Zellmembran in dichten Kontakt gebracht
(patch clamp - Verfahren) oder in die Nähe der Zellmembran
gebracht (extrazelluläres Verfahren), so daß die
Mikroelektroden elektrisch leitend über eine Elektrolytlösung
mit den biologischen Zellen des Netzwerks verbunden ist. Der
Nachteil dieser Kontaktier-Verfahren ist, daß nur eine oder
mit großem Aufwand nur wenige Zellen gleichzeitig mit
Mikroelektroden kontaktiert und infolgedessen keine
Netzwerkeigenschaften untersucht werden können.
Aus diesem Grunde wurde in neuerer Zeit versucht, ein
Netzwerk aus biologischen Zellen mittels Mikroelektroden, die
auf ein Substrat (Träger) mit aus der Mikroelektronik
bekannten Methoden aufgebracht und mikrostrukturiert sind, an
vielen Stellen gleichzeitig zu kontaktieren, um elektrische
Zellpotentiale extrazellulär ableiten oder die Zellen
elektrisch stimulieren zu können. Dabei sollen die
Mikroelektroden in möglichst hoher Dichte angeordnet sein, um
eine hohe örtliche Auflösung zu erzielen. Desweiteren sollen
die elektrischen Potentiale der Zellen möglichst
gleichzeitig, also parallel, abgeleitet bzw. elektrische
Potentiale zur Stimulation des Netzwerks gleichzeitig an
dessen Zellen angelegt werden können, um eine hohe zeitliche
Auflösung zu erreichen.
Dabei besteht allerdings das Problem, daß elektrische
Leitungen von den einzelnen Mikroelektroden isoliert bis zu
einer Meß- oder Stimulationselektronik oder dgl. geführt
werden müssen. Die Vielzahl voneinander isolierter,
paralleler Leitungen begrenzt die örtliche Auflösung der
Mikroelektroden-Anordnung.
Eine andere Möglichkeit ist, einen integrierten
elektronischen Schalter für jede Mikroelektrode auf dem
Substrat unterzubringen und die Mikroelektroden im
Multiplexbetrieb einzeln oder in Gruppen zeitlich
nacheinander mit der Meß- oder Stimulationselektronik zu
verbinden (anzusteuern). Dies erfordert einen sehr hohen
Aufwand an integrierter Schaltungstechnik (VLSI Technik) und
verteuert dadurch die Mikroelektroden-Anordnung ganz
erheblich. Des weiteren bleibt die örtliche Auflösung wegen
der auf dem Substrat unterzubringenden elektronischen
Schalter begrenzt. Darüber hinaus können die Mikroelektroden
nicht mehr gleichzeitig, sondern nur einzeln oder in Gruppen
nacheinander angesteuert werden, die Zeitauflösung der
Ableitung oder Stimulation wird herabgesetzt. Weiterer
Nachteil sind Störspannungen, die von den elektronischen
Schaltern beim Schalten auf die Mikroelektroden und auf deren
Anschlußleitungen übertragen werden können und das Meßsignal
überlagern. Diese Störspannungen verschlechtern das
Meßergebnis und das Signal/Rauschverhältnis. Die
Störspannungen können das Meßsignal um ein Vielfaches
übersteigen, weswegen ihr Abklingen nach dem Schalten
abgewartet werden muß, bevor überhaupt gemessen oder
stimuliert werden kann. Dadurch wird die Zeitauflösung der
Mikroelektroden-Anordnung weiter herabgesetzt.
Die Anzahl der Mikroelektroden bekannter Mikroelektroden-Anordnungen
ist infolgedessen begrenzt (weniger als 100
Mikroelektroden).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine A
Mikroelektroden-Anordnung der eingangs genannten Art mit
einer sehr großen Anzahl an Mikroelektroden zu schaffen, die
durch kleine Abmessungen der Mikroelektroden und Abstände
voneinander eine hohe Ortsauflösung und außerdem eine hohe
zeitliche Auflösung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9
gelöst. Jede Mikroelektrode der erfindungsgemäßen
Mikroelektroden-Anordnung weist eine Kontaktierelektrode,
einen Anschluß für eine Meß- oder Stimulationselektronik oder
dgl., im folgenden als Anschlußelektrode bezeichnet, sowie
ein lichtempfindliches Element auf.
Die Kontaktierelektrode ist über eine Elektrolytlösung in
elektrisch leitenden Kontakt mit einer biologischen Zelle
eines Netzwerks bringbar. Dies erfolgt vorzugsweise, indem
die Mikroelektroden-Anordnung an ein Netzwerk biologischer
Zellen heran und dadurch die Mikroelektroden in unmittelbare
Nähe von Zellmembranen gebracht werden, also extrazellulär.
Dabei besteht ein elektrischer Übergangswiderstand (Impedanz)
zwischen den Zellen und den Mikroelektroden.
Das lichtempfindliche Element, das bei Dunkelheit einen sehr
hohen elektrischen Widerstand hat, der sich bei Auftreffen
von Licht verringert (oder umgekehrt), ist zwischen der
Kontaktierelektrode und der Anschlußelektrode angeordnet und
dient als Schalter, der die Kontaktierelektrode von der
Anschlußelektrode isoliert oder als ohmscher Widerstand mit
der Anschlußelektrode verbindet. Betätigt wird dieser
Schalter, indem Licht auf ihn, d. h. auf das
lichtempfindliche Element, gerichtet wird. Somit ist jede
Mikroelektrode für sich durch Licht ansteuerbar, die
Mikroelektroden der erfindungsgemäßen Mikroelektroden-Anordnung
sind lichtadressierbar.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß ihre Mikroelektroden sehr
kleine Abmessungen aufweisen und sehr dicht beieinander
anordenbar sind, so daß sich eine hohe örtliche Auflösung
erzielen läßt. Weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die
Mikroelektroden einzeln oder in Gruppen gleichzeitig, d. h.
parallel ansteuerbar sind, was eine hohe zeitliche Auflösung
ermöglicht. Weiterer Vorteil ist, daß durch die Ansteuerung
mit Licht keine Störspannungen auftreten, die das Meßsignal
überlagern und deren Abklingen vor einer Messung oder bis zu
einer Stimulation abgewartet werden müßte.
Die Kontaktierelektroden, das lichtempfindliche Element und
die Anschlußelektroden können in zwei oder drei Ebenen
übereinander oder auch in eine Ebene nebeneinander auf einem
Substrat angeordnet werden. Dabei ergibt die Anordnung in
drei Ebenen übereinander die dichteste Anordnung der
Mikroelektroden beieinander und damit die höchste örtliche
Auflösung.
Zur Isolation der Kontaktierelektroden und der
Anschlußelektroden der verschienen Mikroelektroden
voneinander kann das lichtempfindliche Element dienen, das
vorzugsweise wenn es nicht mit Licht beaufschlagt wird, also
dunkel ist, elektrisch isoliert. Das lichtempfindliche
Element ist in diesem Fall als für alle oder für Gruppen von
Mikroelektroden gemeinsame, durchgehende Schicht ausgebildet,
auf die örtlich auf die anzusteuernden Mikroelektroden
begrenzt Licht gerichtet wird. In diesem Fall muß zur
Ansteuerung mit Licht entweder die Kontaktierelektrode oder
die Anschlußelektrode und das Substrat, auf das die
Mikroelektroden aufgebracht sind, lichtdurchlässig sein.
Werden die lichtempfindlichen Elemente neben den
Kontaktierelektroden oder neben den Anschlußelektroden
angeordnet, so können die Kontaktierelektroden und die
Anschlußelektroden lichtundurchlässig, aus demselben Material
hergestellt und in einem Arbeitsgang auf das Substrat
aufgebracht werden.
Die Anschlußelektroden aller oder von Gruppen der
Mikroelektroden können zu einer gemeinsamen Anschlußelektrode
vereinigt sein. Dadurch verringert sich die erforderliche
Anzahl an Anschlußleitungen, jedoch können die
Mikroelektroden nicht mehr parallel sondern nur seriell bzw.
in Gruppen parallel angesteuert werden.
Zur Ansteuerung der Mikroelektroden ist bei einer
Ausgestaltung der Erfindung eine Lichtfaseroptik vorgesehen,
die vorzugsweise so viele Lichtfasern aufweist, wie die
Anordnung Mikroelektroden umfaßt, so daß zu jeder
Mikroelektrode eine Lichtfaser führt. Dabei können die
Stirnenden der Lichtfasern, aus denen das Licht austritt, als
Substrat für die Mikroelektroden dienen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist die
Lichtfaseroptik eine Lichtquelle für jede Lichtfaser auf.
Vorzugsweise sind die Lichtquellen zu einer Matrix
zusammengefaßte Leuchtdioden.
Die erfindungsgemäße Mikroelektroden-Anordnung läßt sich zur
Ableitung von Impulsen oder zur elektrischen Stimulation von
Nervenzellen in Pflanzen oder Lebewesen implantieren.
Beispielsweise ist die erfindungsgemäße Mikroelektroden-Anordnung
als Retina-Implantat verwendbar.
Zur Ansteuerung bestimmter Mikroelektroden der
erfindungsgemäßen Anordnung findet fokusiertes Licht,
beispielsweise ein Laserstrahl Verwendung. Es können Muster
aus Lichtpunkten, Lichtbalken oder dergleichen auf die
Anordnung projiziert werden, um bestimmte Mikroelektroden
gleichzeitig anzusteuern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Mikroelek
troden-Anordnung mit seriell (Fig. 1a) bzw.
parallel (Fig. 1b) anzusteuernden Mikroelektroden;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Mikroelektroden-Anordnung (Fig. 2a seriell, Fig. 2b
parallel);
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Mikroelektroden-Anordnung
mit spaltenparallel geschalteten und
zeilenparallel anzusteuernden Mikroelektroden; und
Fig. 4 einen Schnitt entlang Linie IV-IV in Fig. 3.
Die in Fig. 1a und b dargestellte, erfindungsgemäße
Mikroelektroden-Anordnung 10 ist auf ein Substrat S
aufgebracht. Das Substrat S besteht vorzugsweise aus einem
lichtdurchlässigen Material, wie z. B. Glas oder Kunststoff.
Es kann jedoch auch aus einem lichtundurchlässigen Material
wie z. B. Keramik oder Silizium mit Oxidschichtisolator
bestehen, die ansich aus der Mikroelektronik bekannt sind.
Die Mikroelektroden M₁ bis Mn umfassen Anschlußelektroden A,
A₁ bis An, lichtempfindliche Elemente P und Kontaktier
elektroden K₁-Kn, die in genannter Reihenfolgen in drei
Ebenen übereinander als Dünnschichtelemente auf das Substrat
S aufgebracht sind. Bei serieller Ansteuerung der Mikro
elektroden M₁ bis Mn kann eine einzige, durchgehende
Anschlußelektrode A für alle Mikroelektroden M₁ bis Mn
gemeinsam auf das Substrat S aufgebracht sein (Fig. 1a). Bei
paralleler Ansteuerung weist jede Mikroelektrode M₁ bis Mn
eine Anschlußelektrode A₁ bis An auf, die durch eine
Isolatorschicht I voneinander getrennt sind. Die
Isolatorschicht I ist in einer Ebene mit den Anschluß
elektroden A₁ bis An auf das Substrat S aufgebracht.
Die lichtempfindlichen Elemente sind als durchgehende Schicht
P für alle Mikroelektroden M₁ bis Mn gemeinsam auf die
Anschlußelektroden A, A₁ bis An und ggf. die Isolierschicht I
aufgebracht. Auf die die lichtempfindlichen Elemente bildende
lichtempfindliche Schicht P sind die Kontaktierelektroden K₁
bis Kn aufgebracht, die sich bei paralleler Ansteuerung über
den Anschlußelektroden A₁ bis An befinden. Die
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn sind ebenfalls mit einer
Isolatorschicht I voneinander getrennt, die in einer Ebene
mit den Kontaktierelektroden K₁ bis Kn auf die
lichtempfindliche Schicht P aufgebracht sind. Die
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn stehen geringfügig über ihre
Isolatorschicht I vor.
Die als Dünnschichtelemente ausgebildeten Kontaktier
elektroden K₁ bis Kn, lichtempfindlichen Elemente P und
Anschlußelektroden A, A₁ bis An werden durch Aufdampfen,
Sputtern oder PECVD (Plasma-Enhanced-Chemical-Vapor-Deposition)
auf das Substrat S aufgebracht und mit
photolithografischen Methoden mikrostrukturiert.
Die Anschlußelektroden A, A₁ bis An bestehen aus einem
elektrisch gut leitfähigen, vorzugsweise lichtdurchlässigen
Material, wie z. B. Indiumzinnoxid (ITO) oder Zinkoxid (ZnO).
Die als durchgehende Schicht P ausgebildeten,
lichtempfindlichen Elemente können als Dünnschicht-Fotowiderstände,
Fotodioden mit PN- oder PIN-Übergang oder
als Fototransistoren ausgeführt sein, die in
Dünnschichttechnologie aus Materialien wie z. B. amorphem
Silizium (Si), Cadmiumsulfid (CdS) oder Cadmiumselenid (CdSe)
hergestellt sein können.
Die Kontaktierelektroden K₁ bis Kn bestehen vorzugsweise aus
einem biokompatiblen, leitfähigen Material wie z. B. Gold
(Au), Platin (Pt), Titan (Ti), Iridium (Ir) und sind durch
die biokompatible Isolatorschicht I aus z. B. Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder Polyimid voneinander isoliert. Die
Kontaktierelektroden können auch aus lichtdurchlässigem
Material, wie es für die Anschlußelektroden A, A₁ bis An
Verwendung findet, hergestellt sein. Ebenso können die
Anschlußelektroden A, A₁ bis An lichtundurchlässig aus
demselben Material wie die Kontaktierelektroden K₁ bis Kn
hergestellt sein.
Bei der in Fig. 1a dargestellten Ausführungsform der
Erfindung ist eine gemeinsame Leitung für alle
Mikroelektroden M₁ bis Mn zum Anschluß an eine Meß- oder
Stimulationselektronik oder dgl. an der gemeinsamen,
durchgehend ausgebildeten Anschlußelektrode A, vorzugsweise
in deren Randbereich, angebracht (nicht dargestellt). Bei der
in Fig. 1b dargestellten Ausführungsform der Erfindung mit
voneinander isolierten Anschlußelektroden A₁ bis An weisen
diese jeweils eigene Anschlußleitungen auf (nicht
dargestellt).
Die schematische Darstellung der Fig. 2a und b zeigt die
Anwendung der erfindungsgemäßen Mikroelektroden-Anordnungen
10 aus Fig. 1a und b zur Ableitung elektrischer
Zellpotentiale oder zum elektrischen Stimulieren von
Netzwerken biologischer Zellen Ze. Die biologischen Zellen Ze
befinden sich in einem zylindrischen Kulturgefäß Ge in einem
physiologischen Elektrolyten E. Den Boden des Kulturgefäßes
Ge bildet das Substrat S mit der Mikroelektroden-Anordnung M₁
bis Mn aus Fig. 1a und b. Dabei befinden sich die in
Fig. 2a und b nicht im einzelnen dargestellten
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn dicht an Zellmembranen der
Zellen Ze und sind dadurch über den Elektrolyten elektrisch
leitend mit jeweils einer Zelle Ze verbunden (extrazellulär),
wobei ein elektrischer Widerstand (Impedanz) zwischen Zelle
Ze und der Kontaktierelektrode K₁ bis Kn der jeweiligen
Mikroelektrode M₁ bis Mn besteht.
In den physiologischen Elektrolyten E ist eine
Referenzelektrode Re aus Metall getaucht, so daß ein
elektrisches Potential an jeder gewünschten Stelle des
Netzwerks biologischer Zellen Ze mit den Mikroelektroden M₁
bis Mn gemessen oder das Netzwerk biologischer Zellen Ze an
allen gewünschten Stellen mit den Mikroelektroden M₁ bis Mn
elektrisch stimuliert werden kann.
Die auf dem Substrat S aufgebrachten lichtempfindlichen
Elemente P₁ bis Pn und Anschlußelektroden A, A₁ und An sind
in Fig. 2a und b mit ihren Anschlußleitungen Z, Z₁ bis Zn
in Form eines elektrischen Schaltbildes dargestellt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine erfindungsgemäße
Mikroelektroden-Anordnung 10 mit spaltenparallel geschalteten
Mikroelektroden M₁ bis Mn, wobei der Schnitt gemäß Fig. 4
den Fig. 1a und b entspricht. Aufbau und Anordnung der
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn, die durch eine
Isolatorschicht I voneinander isoliert sind, und die darunter
liegende lichtempfindliche Dünnschicht P stimmt mit der oben
beschriebenen, in Fig. 1a und b dargestellten Anordnung
überein. In Fig. 3 ist die matrixförmige Anordnung der
Mikroelektroden M₁ bis Mn zu sehen. Anschlußelektroden A₁ bis
An sind als parallele, in einer Spaltenrichtung durchgehende
Leiterbahnen ausgebildet, die sich an einem Rand des
Substrats S zu Kontaktierflächen Z₁ bis Z₅ vergrößern. An den
Kontaktierflächen Z₁ bis Z₅ werden nicht dargestellte
Anschlußkabel zum Anschluß der Mikroelektroden-Anordnung 10
an eine Meß- oder Stimulationselektronik angelötet,
angeschweißt oder auf sonstige, ansich bekannte Weise
elektrisch leitend angebracht. Die Mikroelektroden M₁ bis Mn
sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 zu je eine
Spalte umfassenden Gruppen zusammengefaßt. Anstelle von
Spalten können beispielsweise auch Kreise oder sonstige
Gruppen von Mikroelektroden M₁ bis Mn zusammengefaßt werden.
Die Anschlußelektroden A₁ bis A₅ sind durch eine
Isolatorschicht I voneinander getrennt. Als Materialien für
die Kontaktierelektroden K₁ bis Kn, die lichtempfindliche
Schicht P, die Anschlußelektroden A₁ bis An, die
Isolatorschichten I und das Substrat können die selben
Materialien wie zu Fig. 1a und b aufgeführt Verwendung
finden.
Bei der spaltenparallelen Schaltung der Mikroelektroden M₁
bis Mn kann jeweils nur eine Mikroelektrode M₁ bis Mn jeder
Spalte angesteuert, d. h. mit ihr abgeleitet oder stimuliert
werden. Die Ansteuerung kann zeilenweise oder auch nach einem
anderen Muster erfolgen.
Die Ansteuerung der erfindungsgemäßen Mikroelektroden-Anordnungen
10, die nachfolgend anhand Fig. 3 erläutert
wird, erfolgt mittels eines fokussierten oder geformten
Lichtstrahls oder eines projizierten Lichtbildes, das
beispielsweise unter Verwendung eines Lasers erzeugt oder
mittels Glasfasern den Mikroelektroden M₁ bis Mn zugeführt
wird. Zur Ansteuerung wird die lichtempfindliche Schicht P im
Bereich einer oder mehrerer anzusteuernder Mikroelektroden M₁
bis Mn beleuchtet. Der beleuchtete Bereich bildet das
lichtempfindliche Element der jeweiligen Mikroelektrode M₁
bis Mn. Der beleuchtete Bereich der lichtempfindlichen
Schicht P wird elektrisch leitend, so daß die
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn der angesteuerten
Mikroelektroden M₁ bis Mn elektrisch leitend mit der
zugehörigen Anschlußelektrode A₁ bis A₅ verbunden ist und das
elektrische Potential einer in der Nähe der jeweiligen
Mikroelektrode M₁ bis Mn befindlichen, biologischen Zelle
(Fig. 2a und b) abgeleitet, d. h. gemessen oder die
biologische Zelle elektrisch stimuliert werden kann.
Die Ansteuerung erfolgt entweder mittels Auflicht d. h. durch
das Netzwerk biologischer Zellen hindurch von der Seite der
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn her. In diesem Fall müssen die
Kontaktierelektroden K₁ bis Kn lichtdurchlässig oder seitlich
neben den sie von ihrer Anschlußelektrode A₁ bis A₅
trennenden, das lichtempfindliche Element bildenden
lichtempfindlichen Schicht P angeordnet sein. Ebenso kann die
Ansteuerung mit Durchlicht von der Seite des Substrats S her
erfolgen. In diesem Fall muß das Substrat S und müssen die
Anschlußelektroden A₁ bis A₅ lichtdurchlässig oder neben der
sie von den Kontaktierelektroden K₁ bis Kn trennenden, das
lichtempfindliche Element bildenden lichtempfindlichen
Schicht P angeordnet sein. Im unbeleuchteten Bereich isoliert
die Dünnschicht P. Sie bildet also durch örtlich begrenzte
Beleuchtung im Bereich einer Mikroelektrode M₁ bis Mn im
beleuchteten Bereich das lichtempfindliche Element dieser
Mikroelektrode M₁ bis Mn.
Bei Verwendung von amorphen Silizium werden bis zu fünf
Zehnerpotenzen umfassende Widerstandsverhältnisse zwischen
beleuchtet (hell) und unbeleuchtet (dunkel) erreicht. Bei
einer Mikroelektrode M₁ bis Mn mit einer Fläche von 10 µm mal
10 µm und einer Dicke von 0,1 µm ergibt sich bei einer
Dunkelleitfähigkeit von Sigma = 10-9 (Ohm × cm)-1 ein
Dunkelwiderstand von 10¹⁰ Ω und bei Lichtbestrahlung ein
Hellwiderstand von 10⁵ Ω. Eine Kontaktierelektrode K₁ bis Kn
hat bei der genannten Fläche von 10 µm × 10 µm durch das
Elektrolyt E zur biologischen Zelle Ze einen Widerstand von
etwa ebenfalls 10⁵ Ω, der durch die Helmholtz-Doppelschicht
an der Grenzfläche Metall/Elektrolyt bestimmt wird. Es ergibt
sich ein Gesamtübergangswiderstand von der biologischen Zelle
Ze zur Anschlußelektrode A₁ bis A₅ bei Lichtbestrahlung des
lichtempfindlichen Elements P ein Widerstand von etwa 2 × 10⁵
Ω. Ihm gegenüber beträgt der Gesamtübergangswiderstand bei
dunklem lichtempfindlichem Element P etwa 10¹⁰ Ω. Es ergibt
sich ein gutes Kontakt/Trenn-Verhältnis durch die
hell/dunkel-Tastung der Mikroelektroden M₁ bis Mn zu ihrer
Ansteuerung.
Da der Abstand zwischen den Mikroelektroden M₁ bis Mn groß
gegenüber der Schichtdicke der lichtempfindlichen Schicht P
ist, kann auf eine Isolierung der von ihr gebildeten
lichtempfindlichen Elemente voneinander verzichtet werden und
diese als durchgehende Schicht P ausgeführt sein, wie es
beschrieben und dargestellt ist. Die Ansteuerung der
Mikroelektroden M₁ bis Mn erfolgt bei dem in Fig. 3
dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels eines
in Zeilenrichtung, also quer zu den Anschlußelektroden A₁ bis
A₅ verlaufenden Lichtbalkens L, der die lichtempfindlichen
Elemente in einer Zeile angeordneter Mikroelektroden M₁ bis
Mn beleuchtet. Es werden also die Mikroelektroden M₁ bis Mn
einer Zeile gleichzeitig angesteuert und die elektrischen
Zellpotentiale der von diesen kontaktierten biologischen
Zellen Ze über die Anschlußelektroden A₁ bis A₅ abgeleitet
oder diese biologischen Zellen Ze elektrisch stimuliert. Der
Lichtbalken L ist in Spaltenrichtung beweglich (Doppelpfeil
in Fig. 3). Die Ansteuerung kann selbstverständlich auch in
verschiedenen Zeilen erfolgen, also nicht mittels eines
Lichtbalkens, sondern mittels auf einzelne Mikroelektroden M₁
bis Mn gerichteter Lichtpunkte, wobei aus jeder Spalte nur
eine Mikroelektrode M₁ bis Mn zu einem Zeitpunkt angesteuert
werden kann. Ist der Abstand der Mikroelektroden M₁ bis Mn
nicht ausreichend groß, so daß sich die Signale nebeneinander
liegender Mikroelektroden M₁ bis Mn im vom Lichtbalken L
beleuchteten und damit leitfähigen Bereich der
lichtempfindlichen Schicht P gegenseitig beeinflussen, so kann
kein durchgehender Lichtbalken L zur Ansteuerung der
Mikroelektroden M₁ bis Mn Verwendung finden, es muß vielmehr
zwischen den Mikroelektroden M₁ bis Mn stets ein dunkler
Bereich verbleiben oder aber eine zusätzliche Isolatorschicht
zwischen den Anschlußelektroden A₁ bis A₅ in der
lichtempfindlichen Schicht P angebracht sein (nicht
dargestellt).
Bei einer Mikroelektrodenfläche von 10 µm × 10 µm und bei 20
µm Elektrodenabstand ergeben sich bei beispielsweise 60
Spalten mit jeweils 60 Mikroelektroden insgesamt 3600
Mikroelektroden M₁ bis Mn auf einem Substratfeld mit einer
Fläche von 1,8 mm × 1,8 mm.
Bei der Mikroelektroden-Anordnung kann die Ansteuerung der
lichtempfindlichen Elemente gegebenenfalls auch mit einer
Leuchtdiodenmatrix als Substrat oder durch ein projiziertes
Lichtbild erfolgen.
Claims (11)
1. Mikroelektroden-Anordnung zum ortsaufgelösten Ableiten
elektrischer Zellpotentiale oder zur elektrischen Stimulation
von Netzwerken biologischer Zellen, mit einer Vielzahl von
Mikroelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß jede
Mikroelektrode (M₁ bis Mn) eine Kontaktierelektrode (K₁ bis
Kn), die mit dem Netzwerk biologischer Zellen (Ze) in
elektrischen Kontakt bringbar ist, eine Anschlußelektrode (A,
A₁ bis An, A₁ bis A₅), die elektrisch leitend mit einem
Meßgerät oder dgl. verbindbar ist und ein lichtempfindliches
Element (P), das zwischen der Kontaktierelektrode (K₁ bis Kn)
und der Anschlußelektrode (A, A₁ bis An, A₁ bis A₅)
angeordnet ist, aufweist.
2. Mikroelektroden-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kontaktierelektrode (K₁ bis Kn)
und/oder das lichtempfindliche Element (P) und/oder die
Anschlußelektrode (A, A₁ bis An, A₁ bis A₅)
Dünnschichtelemente sind.
3. Mikroelektroden-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß es eine gemeinsame Anschlußelektrode (A,
A₁ bis A₅) für alle Mikroelektroden (M₁ bis Mn) oder für eine
Gruppe von Mikroelektroden (M₁ bis Mn) aufweist.
4. Mikroelektroden-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element
(P) durchgehend über den Bereich aller oder mehrerer
Mikroelektroden (M₁ bis Mn) ausgebildet ist.
5. Mikroelektroden-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Lichtfaseroptik zur
Ansteuerung seiner Mikroelektroden (M₁ bis Mn) aufweist.
6. Mikroelektroden-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtfaseroptik eine Lichtfaser für
jede Mikroelektrode (M₁ bis Mn) aufweist.
7. Mikroelektroden-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtfasern ein Substrat für die
Mikroelektroden (M₁ bis Mn) bilden.
8. Mikroelektroden-Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtfaseroptik eine Lichtquelle für
jede Lichtfaser aufweist.
9. Mikroelektroden-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß ein fokusierter Lichtstrahl
örtlich begrenzt auf ein lichtempfindliches Element (P) einer
oder mehrerer Mikroelektroden (M₁ bis Mn) gerichtet ist.
10. Mikroelektroden-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ansteuerung mit einer
Leuchtdiodenmatrix als Substrat oder durch ein projiziertes
Lichtbild erfolgt.
11. Verwendung einer Mikroelektroden-Anordnung nach einem der
Ansprüche 1 bis 10 als Implantat.
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